玉溪河灌区百丈水库大坝渗流稳定安全分析

李彦富，魏广华，张楚笛，赵 川，肖 翔

(1.四川省玉溪河灌区运管中心，四川 邛崃，611530；2.四川省水利科学研究院，成都，610072)

1 工程概况

百丈水库位于名山区百丈镇上游1.7km的蒲江河支流临溪河上，地理位置为东经103°14′，北纬30°11.5′。水库坝址以上集雨面积52.8km2，设计总库容2080.0万m3，有效库容1960.0万m3，正常蓄水位695.06m，校核水位695.37m，是一座以灌溉为主，兼有供水、发电、养殖、旅游等综合效益的中型水库工程。水库于1958年建成，设计控灌名山、邛崃、蒲江三县(市)农田0.98万hm2。1978年，玉溪河引水工程主干渠通水后，其末端水量跌入百丈水库，年入库径流总量达到3.61亿m3，有效灌面扩展至2.52万hm2。

百丈水库枢纽工程由拦河大坝、溢洪道、放水隧洞及水库电站四部分组成，工程为Ⅲ等工程，枢纽建筑物为3级建筑物。大坝为均质土坝，1957年11月动工，1958年7月建成，经多次整治，坝顶高程为697.30m(复核最低坝顶高程为697.20m)，长度507m，宽度5.6m。大坝最大高度28.0m，上游边坡采用六角块预制混凝土衬护，设两级马道，从上至下坡度依次为1∶2.3、1∶3.5、1∶5.0，其下为工程弃土填压。下游边坡也采用六角块预制混凝土衬护，设三级马道，从上至下坡度依次为1∶2.0、1∶3.0、1∶3.5，坝踵为排水棱体。坝基有砂砾覆盖层厚度约2.7m，其下基岩为砂质粘土岩，为防坝基渗漏，坝体设两截流槽嵌入岩基。

根据《水库大坝安全评价导则》(SL 258-2017)有关要求[1]，结合百丈水库的实际运行工况，文章对百丈水库土坝的渗流和坝坡稳定进行定量计算分析，旨在掌握大坝当前的安全状况，保障水库后期的安全运行。

2 工程地质条件

百丈水库大坝处于邛崃名山一线以南的蒲邛台地，主要为丘陵地貌。地势北西高，南东低。蒲邛台地地面高程816m～530m，平原地面高程570m～405m。受长期剥蚀作用，基面起伏不平，相对高差60余米，属侵蚀堆积地貌。大坝左岸丘坡坡顶高程为715m～720m，右丘坡坡顶高程为720m～725m，大坝下游冲沟沟底高程为670m～675m，相对高差40m～50m，两岸地形坡度为12°～16°。据前期资料，土坝坝基靠近右岸河床宽约30m，全为卵砾石夹砂，覆盖于岩基上厚1.0m～3.0m，中部一级台地宽100m，上部为褐色或灰白色粘土厚20m，下为砂类卵砾石厚1m左右，以下为基岩。第二级阶地宽120m，上部有1.3m的粘土夹卵石，下面全为残积物，最厚5.8m，下为岩基。放水洞和溢洪道均放在岩基上，岩层为新生界第三系名山群，含钙质粉砂质泥岩及泥质钙质胶结泥质粉砂岩。坝址和溢洪道基岩多为红色砖红色钙质砂岩、页岩，在砂岩中的粉泥质砂岩和砂岩两种，又以泥质砂岩较多，受水侵蚀呈圆形状溶孔(约在0.2cm～0.4cm)，矿物质有石英、长石、云母，节理裂隙发育。坝区构造简单，无断裂构造，岩层产状为N15°～35°E/NW∠5°～7°，岩体中发育有二组构造裂隙。根据现场地质测绘，坝址区未见滑坡、泥石流等不良地质现象。坝址区主要物理地质现象以岩体风化卸荷为主。研究区以龙门山-锦屏山-玉龙雪山构造带为界，分为两个性质决然不同的大地构造单元，以东为稳定的扬子陆块，以西是由冈瓦纳大陆、羌塘-昌都陆块和松潘甘孜造山带拼合的复杂地质块体，见图1。

图1 区域大地构造单元划分示意

3 物理力学参数及计算工况

3.1 计算工况

此次坝坡稳定计算以2003年整治后的最大坝高典型剖面(0+080)作为计算剖面。根据调洪演算成果，百丈水库正常蓄水位为695.06m，死水位为676.56m，设计洪水位为693.87m，校核洪水位为695.66m，因此，稳定渗流的正常蓄水位采用正常蓄水位695.06m。下游水位采用坝体渗流量水三角堰处水位670.00m，该水位不受洪水期河道水位影响。渗流计算工况如下：

(1)上游正常蓄水位(695.06m)与下游相应水位(670.00m)；

(2)上游校核洪水位(695.66m)与下游相应水位(670.00m)；

(3)水位骤降期：上游正常蓄水位(695.06m)降至死水位(676.56m)，历时25d。

3.2 计算参数

坝体物理力学计算参数见表1，坝料对应坝体分区见图2。

图2 大坝渗流及坝坡稳定计算剖面

表1 百丈水库大坝渗流及稳定计算参数

允许渗透坡降计算：根据大坝取样试验成果可知，含水率W=30.5%，饱和度Sr=90.17%，液限WL=47%，塑限WP=27%，塑性指数Ip=20，干密度1.42g/m3，湿密度1.87g/m3，饱和固结快剪c=18kPa，φ=19.5°，土粒比重Gs=2.72，渗透系数K=2.2×10-7cm/s。采用《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)附录G中的判别方法[2]，根据主坝坝身填筑颗粒分析统计可知，坝身填筑料的渗透变形破坏为流土型。根据临界水力坡降计算公式Jcr=(Gs-1)×(1-n)计算出坝体土的临界水力坡降Jcr=0.89，本次渗流安全系数取2.0，计算出允许水力坡降[J允许]=0.45。

4 计算结果分析

4.1 渗流计算分析

本次百丈水库大坝坝体的渗流和稳定计算均采用河海大学Autobank软件中的渗流计算模块分析计算[3-10]。

4.1.1 渗透坡降

根据渗流计算成果，正常蓄水位时的稳定渗流工况下坝体段渗透坡降为0.31，出逸段的渗透坡降为0.41，小于坝体允许水力坡降[J允许]=0.45，因此，大坝不会发生渗透破坏。

4.1.2 渗流量

根据坝基渗流观测数据，现状大坝平均渗流量为3.0L/s，单宽渗流量为0.52m3/d·m。根据渗流计算成果，正常蓄水位时的稳定渗流工况下坝体单宽渗流量为0.56m3/d·m，计算单宽渗流量与实测值相比差距不大，比实测值略大，因此，大坝现状渗流量计算基本正确。

4.1.3 浸润线

各工况下渗流计算成果见图3，图中坝体渗流分布符合粘土均质坝渗流分布的一般规律。各工况坝体浸润线出逸点均在坝体褥垫层范围，并与下游水位相接，与现状实际情况基本一致。将稳定渗流时的浸润线计算成果与0+080断面特定水位下的测压管监测成果进行比较，见图4，由图可知，测压管监测成果浸润线在下游坡排水棱体以上三级马道附近较计算出的理论浸润线高，其余部位比较接近，主要原因是坝体填筑施工处于“大跃进”年代，施工时受降雨影响，土料含水量偏大，且当时的碾压施工机械落后，导致碾压不实、不均匀，因此，出现实测浸润线偏高的问题，总体来说，本次计算模型和参数基本可靠，大坝渗流基本安全。

(a)正常蓄水位695.06m(稳定渗流)

图4 实测浸润线与计算浸润线成果比较

4.2 坝坡稳定计算分析

各工况下坝坡稳定计算成果见表2。百丈水库大坝为3级建筑物，根据规范查得各运用条件下的抗滑稳定最小安全系数[ks]。由表和图可知，各工况下，坝坡稳定的最小安全系数ks均大于规范要求的小安全系数[ks]，其中，最小安全系数出现在校核洪水位降落至死水位时的上游坝坡，为1.26，同样大于规范最小允许值1.20，如图5所示。本次计算结果值与2012年安全评价时的计算结果进行了对比，成果基本一致，大坝抗滑稳定满足规范要求。

表2 百丈水库大坝坝坡稳定计算成果

图5 水位骤降期上游坝坡稳定计算成果(ks=1.26)

结合大坝现场检查、结构检测以及大坝稳定计算成果综合分析发现，百丈水库大坝整体稳定，存在局部强度不足但尚不严重影响工程安全的情况，大坝结构基本安全。

5 结论

本文采用Autobank软件对玉溪河灌区百丈水库大坝渗流和坝坡稳定进行了定量计算，分析了该土坝在不同运行工况下的渗透坡降、渗流量、浸润线位置以及上下游坝坡最小安全系数，得到以下结论：

(1)稳定渗流工况下坝体段渗透坡降为0.31，出逸段的渗透坡降为0.41，小于坝体允许水力坡降值0.45，大坝不会发生渗透破坏。

(2)计算得到正常蓄水位时的稳定渗流工况下坝体单宽渗流量为0.56m3/d·m，与坝基实际渗流观测值0.52m3/d·m基本一致，表明本次计算结果是合理的。

(3)浸润线计算结果显示坝体渗流分布符合粘土均质坝渗流分布的一般规律，各工况坝体出逸点均在坝体褥垫层范围，并与下游水位相接，大坝渗流基本安全。

(4)百丈水库大坝上下游坝坡最小安全系数计算值为1.26，大于规范最小允许值1.20，表明大坝整体稳定，大坝结构基本安全。